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2016-08-31
汪云甲等
溪流的海洋人生
一、引言矿山测量作为一门独立的学科始于德国、前苏联和东欧等国家，它的发展与社会的需求和科学技术的发展进步密切相关，并显示出不同时代的特点和内涵。矿山测量科学技术及其人才培养一直深受重视，发展较快。联合国早在1969年就成立了国际矿山测量协会（ISM）。在中国，矿山测量是在新中国成立后逐步形成和发展起来的。已经在矿山部门形成和采矿、地质、环保、计算机技术与应用等学科相互独立，又彼此渗透、交融的态势，近60年来矿山测量事业得到全面迅速的发展。自从1953年北京矿业学院（ 现中国矿业大学）创办了中国第一个矿山测量本科专业后，陆续有诸多院校开设此专业，培养大批本专科毕业生，1953 开始培养我国首届矿山测量专业研究生，1981年获硕士学位授予权，1986年成为博士学位授权点，优秀专业人才的培养满足了众多矿山和勘测企业的需求。在我国“矿山测量”早期定义为：涵盖矿山的地质勘探、建设、设计和生产运营等阶段，主要进行矿山地面与地下点几何位置的研究和测定，以得到矿体开采和沉陷等方面的空间几何信息，并对这些信息进行分析和处理，编制出多种比例尺的矿山开采图件，对矿山的生产具有指导、参谋、监督和保障作用。近年，矿山测量的内涵已经和正在发生深刻的变化。矿山测量不限于几何量测与分析，还包括矿山采场环境、矿区地表环境等非几何量的观测与分析；测量手段不限于常规的测绘仪器设备，还包括地球物理仪器、环境参数物联网传感器等。近年来，矿山测量综合运用测绘、地质、采矿工程和生态环境等多个学科的理论、技术方法，研究从地面到井下，从矿体（煤层）到围岩的各种空间几何、资源和环境等问题。矿山测量学科的内涵可表述为：以空间信息学和系统工程理论为基础，综合运用测绘遥感、地球物理、物联网等手段，观测并感知矿山全生命周期、矿区全方位对象的几何、物性及其空间关系变化，处理并解决矿产资源保护、矿山开发优化、生产环境安全、开采沉陷控制、矿区生态修复等科学与技术难题。当前由于矿山的开采强度和开采深度越来越大，开采条件日趋困难，采矿工艺和技术也日益先进、复杂，以及采后土地复垦问题、生态环境保护问题也越来越紧迫，这给矿山测量工作提出了更高的要求。因此矿山测量正冲破传统认识，朝着由简单到复杂、由单一向多元化、由手工到半手工作业向数字化、自动化、智慧化方向迅速迈进。 二、我国矿山测量的发展现状⒈ 矿山测量专业近年来的新观点、新理论、新方法、新技术、新成果等发展现状。①本学科的学术新进展⑴基于InSAR的矿区变形监测我国矿山测量研究人员利用SBAS、永久散射体技术等时序InSAR技术对矿区进行了时序形变监测研究，研究了基于DInSAR 的老采空区地表残余沉降监测地基稳定性评价技术。针对老采空区残余沉降监测资料匮乏、形变量小、持续时间长等问题，将DInSAR与时序SAR（PS-InSAR、SBAS、SqueeSAR、CR-InSAR）技术相结合，系统研究大气、噪声、形变相位的精确分离方法，然后采用非线性预计理论建立了煤矿区老采空区地基稳定性评价体系，为废弃老采空区地表安全建设和利用提供了设计依据，取得较好的结果。2013年矿山测量研究人员提出利用强度偏移算法估计矿区的大量级下沉，并应用于内蒙古某矿区，发现该矿区的最大沉降值达到4.5m，其监测精度大约为0.2m。该方法大大提高了InSAR在矿区形变监测中可检测的最大形变值，扩展了InSAR的应用范围，为InSAR矿区大量级形变监测提供了新的技术支撑。2014年，有矿山测量研究人员提出利用时域离散InSAR干涉对（可用InSAR干涉对不能覆盖整个时间段）并基于logistic模型估计了矿区地表时序形变。该方法不仅克服了传统矿区时序方法基于时域离散InSAR干涉对获取时序形变的局限，由于考虑到沉降本身的规律，其结果可靠性较高。2014年，矿山测量研究人员提出融合沉降盆地中心点的部分水准监测和InSAR 监测值反演概率积分法模型与下沉值有关的参数，并以此预计矿区全盆地垂直沉降。2015年，矿山测量研究人员基于矿区水平移动与下沉之间的比例关系，提出利用单个InSAR干涉对监测矿区地表三维形变，通过安徽钱营孜矿区应用后发现，该方法获得的矿区水平移动和垂直下沉的中误差分别为1.4cm 和2.7cm。该方法大大降低了InSAR矿区地表三维形变监测的局限，降低了监测成本，提高了监测精度，为矿区高效率、低成本、高精度监测提供了新的技术方法和手段。2015年，矿山测量研究人员基于利用雷达成像原理，提出顾及InSAR三维形变信息的概率积分法参数反演技术，基于DInSAR的开采沉陷参数沉陷规律分析。利用不同波段、不同平台合成孔径雷达（SAR）数据的优势，结合DInSAR观测结果和矿区地质采矿资料，采用物理模拟、数值模拟、现场实测、综合分析提取山区、平原矿区开采沉陷参数，并预计了安徽钱营孜矿区地表三维形变，取得了较好的结果。该方法实现了矿区地表三维形变预计，大大拓宽了InSAR 的应用前景，拓展了开采沉陷预计理论。目前，矿山测量学者还基于雷达干涉测量（InSAR）技术，进行非法开采监测预警，基于InSAR时间序列监测结果，判断井下开采位置、方向及速度；根据实时监测数据，监测可能存在的非法开采、误采、越界开采、超层越界、重叠开采；可对井下开采可能遇到的危险进行预警等。⑵矿山沉陷LUCC遥感监测围绕对混合像元进行分解开展理论与应用研究：引入扩展到多维空间的数学形态学算子对多光谱遥感图像进行端元提取，提出了AMEE 算法流程图；利用多时相CBERSCCD图像对某煤矿塌陷地进行土地利用与土地腹背变化（LUCC）检测与分析，提出了LUCC检测技术路线；根据煤矿塌陷区域内地物类型实际情况，设定水体、建筑用地、农田和土壤四种端元类型。⑶数字矿山空间信息集成建模与应用突破了矿山地上下多源异构空间数据分裂、地层矿体模型与井巷模型不耦合、三维空间模型与采矿安全分析模型不统一、矿山三维模型更新维护极其困难等数字矿山技术难题，提出了一批矿山三维空间模型、处理方法与分析方法，开发了系列软件。建立了数字矿山体系框架，提出数字矿山关键技术体系，明确了矿山空间信息集成建模与数字矿山基础平台研发方向；提出适用于煤矿与金属矿山复杂地层、地质结构、矿体及井巷工程三维空间集成建模的系列模型与方法；提出适用于煤矿与金属矿山的三维空间分析系列方法；结合我国煤矿与金属矿山储量动态管理、金属矿体采场顶板可视化维护、中东部煤矿“三下”压煤开采优化，以及煤矿安全集成监控与隐患可视化分析需要，基于数字矿山基础平台开发了多个应用系统。⑷开采沉陷规律与“三下”开采首次开展了新建井筒留设小保护煤柱与抗变形技术研究，提出留设方法和计算依据，形成了小保护煤柱条件下新建井筒的抗变形技术体系。系统开展了地表大型水体下综采放顶煤开采技术研究，形成了一套完整的水体下采煤技术体系和安全技术措施。成功开展了综采放顶煤村庄房屋破坏规律与保护技术研究，探索出厚煤层矿区不搬迁村庄下采煤的新技术和新途径。深入研究了综采放顶煤地表沉陷规律与覆岩破坏规律，为厚煤层矿区合理留设保护煤柱、科学开展“三下”采煤奠定了基础。⑸固体充填开采沉陷控制通过大量相似材料模拟试验和数值模拟试验研究，归纳了矸石充填岩层移动模式，总结了岩层移动特征与充填率，充填体压缩率等地质采矿条件之间的关系；揭示了固体材料压实、流变特性及其与力学性质之间的关系；基于等价采高沉陷预计思路，给出了矸石充填应用于水体下，建（构）筑物下压煤开采的沉陷控制设计思路。⑹采煤沉陷区地基处理与工程建设技术提出了矸石与土分层回填建筑地基的复垦技术及煤矸石回填建筑地基的无损检测方法；通过室内试验及现场取样测试试验，明确了煤矸石回填地基的环境效应，为煤矸石回填地基复垦技术推广应用提供依据。通过采空区注浆试验，完善了采空区地基处理及探测、检测技术，提出了“物探+少量钻探+ 钻孔电视”的采空区注浆效果的检测方法。完善了采空区钻探及物探技术，确定了应用EH-4电导率系统探测老采矿区的范围，解决了我国采空区综合探测技术的难题。⑺综合PPP、CORS及三维激光扫描地表沉陷监测联合周围国际全球导航卫星系统服务（IGS）跟踪站并利用精密基线解算软件求解监测网点基于国际地球参考框架（ITRF）下的精确坐标。矿山CORS平台及其协同灾害监测、预警系统的关键理论及技术。围绕动态矿山CORS组网、建网及基准点稳定性、可靠性控制理论与技术等关键问题开展系统研究。将RTK与三维激光扫描觇进行集成，实现了开采影响区地表动态变化过程中测站及标靶点实时点位的动态测量，研究确认其精度可满足采煤沉陷区变形监测要求。确定了三维激光扫描技术获取地表沉陷预测参数的工作流程，在选点、扫描、数据处理及参数反演等方面提出了具体的精度要求。⑻地表火灾害多源监测我国一些矿区古窑开采、小煤窑私挖滥采形成了众多在地表浅层燃烧的暗火区。如何快速、准确确定燃烧点的位置及范围，在此基础上开发有效的治理技术已成为矿井火区治理亟待解决的重大技术难题。❶TM/ETM/MODISz融合热场检测技术。构建煤火区的无人机、遥感、GPS、InSAR、热红外成像仪、三维激光扫描仪等立体监测技术体系，建立了TM/MODIS不同分辨率的热红外波段STARTM融合温度反演模型。❷火区温度场地面热红外近景检测技术。建立了采用热红外成像仪测量煤层露头、废弃小煤窑及浅部煤火温度场的方法体系，提出一种温度场监测方案。❸遥感与无人机的煤火区地裂缝监测与煤火治理方案。建立了基于无人机的火灾构造裂隙的精准监测技术，开发了基于灰度值、分形特征、植被覆盖等知识的构造裂隙遥感影像自动提取法，开发了同煤火与地裂信息系统及废弃物裂隙充填新技术，并对火区与地裂缝进行了治理。⑼资源型城市工矿区废弃地恢复再利用技术资源型城市拥有大量废弃工矿土地，这些土地综合整治可再利用。针对资源型城市工矿区废弃地在地质、土壤、环境等方面的特殊性，提出工矿区废弃地修复技术、塌陷区土地再利用技术以及工矿废弃地利用规划设计技术。⑽基于城乡统筹的矿区塌陷地生态修复集成技术与规划为加快采煤塌陷地的综合治理和利用，促进矿区产业转型，系统地研究了“矿、城、乡”空间体系下采煤塌陷地的生态修复集成技术和规划方法体系，研究范围面积约为200km2，总人口约42万，涉及29个煤矿，33对矿井，分为规划区、实验区、和启动区三个层次。❶基于CORS系统和Landsat、SPORT多源遥感影像数据，结合现场调研、实地踏勘，系统研究了矿区1.6万余公顷采煤塌陷地的成因、数量、分布、生态状况、土地利用现状及其演替规律，建立了矿区采煤塌陷地基础数据库及示范区遥感影像库。❷利用3S技术和开采沉陷预计理论，自主研发了开采沉陷预计系统，全面定量预测了实验区各矿煤炭开采结束后采煤塌陷地的范围、开采破坏情况、地表移动变形及下沉稳定状况。❸综合分析影响采煤塌陷区建设适宜性的各种因素，建立了采煤塌陷区建设适宜性评价体系，采用GIS 软件分析对实验区采煤塌陷地的建设适宜性进行评价，针对不同类型的建设区域提出了适宜的结构形式及抗变形措施。❹在分析矿区产业转型机理的基础上，创新性地提出了塌陷地再利用的产业转型模式和矿区经济转型的复合型循环经济发展模式，基于模糊综合评判和AHP 构建产业转型绩效评价指标体系，提出相应政策建议。⑾矿区资源与环境协调开发中的空间信息决策技术的应用结合皖北、大同、徐州、神华、淮南、平顶山等矿区实际，就面向矿区资源开发与环境保护的空间信息决策支持技术进行了系统研究。❶结合矿区实际，利用高光谱高分辨率遥感、InSAR、DInSAR、GPS等技术，配合常规观测，形成了实用、可行的开采损害“天地一体化”协同监测、数据融合剂处理的方法，取得了较高的精度。❷提出了基于GDT 和约简概念格集成的GDTCL缺省规则知识挖掘模型，通过GDT的概括强度的知识发现，获取了矿山采煤方式决策规则集，较好地辅助了矿山工程决策。❸构建了矿区资源—环境—经济系统动力学模型，投入产出模型、矿区资源环境系统安全演化的尖点突变模型。❹运用空间信息技术，结合传统的资源环境监测手段，从主要资源环境因子数量质量到物质损害最终统一到经济指标，提出了煤炭开发对矿区资源环境影响的表征理论、方法、模型，进行了实际测度与分析。❺开发了开采沉陷控制及开发优化空间信息决策支持系统。实现了集数据采集、处理、分析和预计为一体，以多维、动态为特征，集开采沉陷分析预计与可视化表达、地表沉陷过程动态及三维模拟、开采沉陷损害评价、“三下”资源开采经济估计、矿井景观三维可视化分析等一体，为最佳开采模式选择提供了科学的决策工具及方法支持。❻提出了与环境协调的矿区资源开采模式及实现途径，即运用空间信息技术，将地下开采优化、地表沉陷控制、生态景观保护欲重建构成有机整体，通过不同开采方案及降沉措施引起的地表沉陷及损害景观动态演变显示，采后矿区生态景观规划，总开发受益评价，挑选出最优方案。❼构建了由景观类型结构偏离累积度指数、景观格局干扰累积度指数和生态敏感性退化度指数所组成的煤矿区景观空间累积负荷表征模型。建立了适用于矿区水、土利用演变模拟的T-ANNCA模型；建立了时空累积效应SD-CA-GIS模型；基于幕景分析原理，设定不同的幕景形式，对矿区不同时期的生态环境变化进行了分析和对比。❽提出了改进的DFSA算法的原理与算法流程，讨论了定位区域内标签数量的估计方法和算法中幁长度与定位标签数量之间的关系、对标签进行分组的方法，分析了改进的DFSA算法性能，解揭示了人员定位误差与井下传感器布设方式的关系，提出了基于LANDMARC的矿井人员定位系统，开发了基于Ajax与ArcIMS的瓦斯实时监测系统人员定位系统。⑿航天遥感技术（RS）遥感技术（RS）是从物体的光特性出发，达到了解和认识物体的目的。遥感技术在矿山地质测量尤其是危险区域地质条件测量方面有着无与伦比的优势，有着广阔的应用前景。航空遥感资料可作为矿区地形图测绘的资料来源，通过像片校正、目视判读、野外调绘等工作，完成地形图的测绘。应用遥感资料，可获取矿区实时、动态、综合的信息源，对矿区环境进行监测，为矿区环境保护提供决策支持。遥感技术在矿山中的应用还包括：煤田区域地质调查；煤田储存预测；煤田地质填图；煤炭自燃监测；发火区圈定；界线划分；灭火作业及效果评估；矿井防治水；地面采空沉陷；矿区地面地质灾害调查；矿区土地复垦等。②矿山测量仪器的新发展⑴防爆全站仪防爆全站仪有别于普通电子全站仪的最大一点就是：防爆全站仪既能在井上使用又能在井下使用。在井上由于其普通测量功能具有在测量模式下直接测得三维坐标的观测数据并可将点的坐标观测记录存储到仪器内部存储器中，实现采集数据向计算机和打印机的传输，使观测成果的处理变得异常简便。⑵陀螺全站仪陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起用作定向的仪器，利用高速旋转的陀螺具有指北的特性来实现定向的。其使用不受时间和环境限制，同时观测简单，效率高，又能保证较高的定向精度，是一种比较先进的定向仪器。近年来，随着矿山开采深度不断加深和开采范围的一再扩大，无论是大型贯通测量和井筒定向等都离不开陀螺全站仪，它具有快速定位、减少误差累积、检验测量中不易发现的方位粗差等优点，同时陀螺全站仪的工作不受外界磁场的影响，它可以在地理南北纬 75°范围内，自主快速地测出测站点的真北，在矿山开采领域发挥很大的作用。通过多次井下巷道贯通应用，采用陀螺全站仪加测导线边，减少了长距离贯通导线测角误差的累积影响，贯通精度高，提高工作效率，降低生产成本。⑶激光扫描仪三维激光扫描仪与全球定位系统（GPS）的结合是数字测图的又一次创新和进步，其具有简捷、高效、高清晰的数据获取能力，与传统测绘相比具有劳动强度低、时间短、测图的灵活性强，智能化、兼容性强等优势，已广泛应用于煤矿安全生产、滑坡监测、建筑物的三维建模等方面。三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。⒉ 矿山测量专业在学术建制、人才培养等方面的进展信息时代的矿山测量教育是一个薄弱环节。应大力开办高等职业教育的矿山测量专业，从矿区招收学生，定向培养。国家对培养这类人才的大专院校进行政策倾斜，充分调动其积极性，同时在招生录取和学费管理上制定特殊政策，以吸引学生，建立矿山测量师制度，矿山测量师需要经过严格培训和考试，要求具有丰富的采矿、地质、安全等方面的知识和经验，定期举办测绘新技术新仪器培训班，要求各类矿山的测绘人员定期进行系统职业培训，以保持矿山测绘科技进步与技术创新的活力。⒊ 简要介绍矿山测量专业在研究平台、重要研究团队等方面的进展①研究平台煤矿区环境破坏遥感监测因其特殊性和复杂性，常规遥感物理、模型和方法不足以支撑。为开展矿区环境遥感方法、模型与技术体系研究，亟需建设一个面向矿区遥感的对地观测协同感知的基础研究、技术试验和验证分析综合试验场所。针对矿区遥感的遥感物理真实性检验、星/ 空形变监测几何标定和地上下传感网同步协同三大基础问题，中国矿业大学主导建设了矿区环境空天地协同观测综合实验场（The Mining Area Environment Synergic bservation Proving Ground，MAESTRO）。MAESTRO旨在面向国内外开放，形成矿区遥感特色的国际联合试验基地，强调多尺度、多手段、多模式、多学科协同，采取“固定性地面场地+ 常态性基础设施+ 项目性实验观测”的模式，分三期有序建设。一期建设时间为2012～2014年。主要考虑在中国矿业大学南湖校区内建立约1km2的小尺度试验场，重点建设土壤实验田、通量观测塔、大气遥感观测站、遥感地面标识点、几何标定标牌、可调控SAR角反射器、数据存储中心等基础设施。针对卫星雷达遥感地面沉降监测及航空遥感立体成像精度问题，不定期开展SAR图像处理和UAV观测系统标定的实证分析研究；针对土壤- 植物中污染物的迁移机理及其遥感方法问题，定期开展场地土壤- 作物光谱特征实验；针对地表能量平衡特征及其遥感方法问题，长期开展辐射通量、潜热通量、感热通量、土壤热通量、碳通量等的连续观测；针对煤电工业城市大气污染遥感精细监测方法问题，长期开展大气气溶胶光学物理特性（光学厚度、吸收系数、散射系数、颗粒物粒径分布等）的连续观测。二期建设时间为2015～2017年。主要以徐州北部煤电产区辐射周围约50km2建立中尺度的试验场。针对煤炭开发及利用（燃煤电厂、煤矿固废物再利用等）引起的土壤重金属、土壤盐渍化、植被健康、大气污染等多种环境问题，以土壤-植被（作物）-大气环境多参数耦合效应机理及遥感方法为主旨，布设数十个土壤- 植被（作物）固定采样点，开展多次多传感器（红外成像仪、微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪等）的航空遥感和地面同步观测试验。三期建设时间为2018～2020年。主要在以徐州为中心、南北延伸至淮北、永城、淮南、枣庄、兖州、新汶等大型煤炭生产基地约1000km2范围，建立大尺度试验场。拟建设若干个矿区遥感几何校正与辐射校正实验区、建设矿区环境综合感知的协同观测传感网，开展多传感器（红外成像仪、微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪等）的卫星和航空遥感及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验。首期三年，已经在中国矿业大学南湖校区完成了MAESTRO一期建设。建成了通量观测塔，搭载涡度相关系统、净辐射仪、空气温湿度传感器、红外辐射计、土壤温湿度传感器、土壤热通量板等仪器，长期开展辐射通量、潜热通量、感热通量、土壤热通量、碳通量等的连续观测。建成了大气遥感观测站，装备有CE318太阳光度计、GRIMM180颗粒物粒径谱仪、AE42黑炭分析仪、差分吸收光谱气体监测系统、MiniVolTAS便携式空气采样器、Vantage Pro2气象站等仪器，可24 小时连续监测当地的大气污染和气象参数，其气溶胶光学特性监测数据直接并入国际气溶胶监测网（AERONET：Aerosol RObtic NETwork，http：//aeronet.gsfc.nasa.gov/）是目前国内正在运行的6 个站点之一。2014年11月，中国矿业大学和东北大学联合，在中国矿业大学南湖校区、徐州北部煤电产区开展了高光谱成像仪的航空遥感和地面同步观测试验。航空实验采用运-5运输机搭载HeadWall和Hyspex成像光谱仪各一台、IMU/GPS惯导测量装置一台，获取了波谱范围400nm～ 2500nm内的高光谱影像; 地面实验使用ASD FieldSpec 3-Hi-Res地物光谱仪4 台、SVC 地物光谱仪1 台、土壤重金属分析仪1台。数据采集与分析包括：⑴采集实验区麦苗光谱数据，同时分析麦苗生物量、叶片、叶绿素含量、叶片和根系重金属含量，分析光谱数据与重金属数据之间的相关性，同时分析粉煤灰以及区域内扬尘对小麦幼苗的影响；⑵采集本土植被叶片样品，分析积灰状态和清灰状态下的光谱信息，监测叶片的积灰量，分析叶片、积灰中重金属的含量，同时分析粉煤灰的形态、重金属含量；⑶分析粉煤灰堆场附近水体色度、浊度以及相关光谱信息；⑷记录区域不同地物条件主要区域内主要优势植被，同时采集光谱信息。②重要研究团队中国矿业大学吴立新教授领衔获得了江苏省双创团队支持。该团队成员包括从事大气环境、数学分析、土地环境、植被生态、遥感应用、GIS应用、物联网等专业的教授、副教授、讲师等15人。团队立足测绘学科、面向矿区遥感、围绕六项任务（建立一套矿区环境与生态指标分类体系、建设一个矿区遥感协同观测综合试验场、建立一套矿区典型地物及胁迫光谱库、进行矿区生态环境碳源/汇研究、形成一套矿区遥感综合反演技术）；团队以测绘学科为主体的，通过建设创新科研平台，充分发挥引进人才优势、培养青年教师队伍。 三、矿山测量专业国内外发展比较国际地球观测联盟（GEO）围绕其九大主题领域问题，特别强调能源矿产、资源开发对地球环境的影响，尤其关注煤炭资源勘探、开发、加工、燃烧等利用全过程的环境载荷问题，提出加强卫星对煤炭- 环境问题的遥感监测与分析服务。近年，国外积极开展了矿区和工矿城市的环境整治、生态环境重建恢复工作。矿区生态环境监测、分析评价、调控、土地复垦、环境恢复或重建、复原，采矿对社会和环境的影响及其防控日益受到关注。在矿区塌陷测量方面墨西哥的学者们在标准的雷达技术的基础上运用永久散射体雷达技术，利用其可以得到目标区域的位移的历史数据，同时进行高密度检测，精度高的特点可以更好地检测墨西哥因地下水抽取而造成地表面的沉降，为治理提供更适宜的建议。在环境检测以及矿山建设与复原方面，国外学者利用遥感技术获取矿区高分辨率的影像，通过分析地形，地貌等情况减少地面调查的工作量，并可以实现动态检测，比如日本、美国等发达国家经常利用其作为地震监测的手段，西班牙学者目前利用其作为汞矿开发检测的重要手段。随着数字地球的提出，国外学者也在更好地研究与开发GPS技术以及GIS技术，利用其高精度，可以全天候检测等特点，并且对各地形貌等处理迅速等特点，更好的对矿区的开发利用提供适宜的方案，目前已成为全球矿山测量方面的热点。在测量仪器方面，国外仍处于领先地位。一些用于地面和地下空间断面测量及二维建模的激光扫描仪器也己商业化，例如，德国Callidus公司生产的GmbH型和瑞士Leica eosystems公司生产的Cyrax 2500型激光扫描仪等。这类仪器不需要反射器，采用脉冲测距的方式按极坐标原理对测量目标进行扫描测量，类似于数字摄影测量法，可获得目标物的点云（Cloud of Points）数据。将点云测量数据输入数据处理系统后，可生成测量目标的断面图、等值线图及三维模型。这种技术设备可在地面建筑物形态测量、地下洞室测量和巷（隧）道形状变化的监测中发挥独特功用。国外在仪器制造方面也处于领先优势，一些精密仪器仍然需要从外国引进，这也制约着我国矿山测量的发展。我国的全站仪与国际先进水平相差很大，性能以及可靠性都没有得到进一步的检验。在矿山测量学科建设方面，目前，俄罗斯、德国、波兰、捷克、斯洛伐克和匈牙利等东欧国家以及印度、澳大利亚等国家的矿山测量学术活动比较活跃。在专业人员培养、教育方面，德国的克劳斯托技术大学、俄罗斯的莫斯科矿业大学、新西伯利亚大学、乌克兰的顿涅茨克工业大学、波兰的AGH科技大学（原克拉科夫矿冶大学）、捷克的俄斯特拉发（Ostrava）技术大学、匈牙利的米什科尔茨大学等都设立有矿山测量或工程测量（大地测量）与矿山测量学院（系），可授予矿山测量学的学士、硕士和博士学位。在西欧、澳洲和印度等国家，矿山测量科学技术及其人才培养也一直比较受重视。在英国，有多所综合性工业大学或学校中设有矿山测量专业，皇家学会矿山测量师的资职（职称）一直延续至今。在澳大利亚的昆士兰大学、卡坦宁技术大学和卡坦尼大学、西澳大利亚矿业学院等院校中设有资源地质与矿山测量系、矿山与工程测量系或采矿工程与矿山测量系等，专门培养矿山测量科技人才。在印度的多所矿业学院及多所综合技术大学中可分别培养具有大专、本科或硕士学历的矿山测量人才。2012年以来，我国矿山测量学科承担国家自然科学基金项目、“973”项目、“863”项目、国家科技支撑计划项目等总计百余项；国际矿山测量协会（ISM）在中国徐州、德国亚琛举行了国际研讨会；我国矿山测量研究者首次在《science》上发表论文；完成的“矿山采动灾害多源遥感关键技术与应用”、“地矿三维集成建模关键技术与数字矿山应用”、“基于城乡统筹的徐州矿区塌陷地生态修复集成技术与规划研究”、“基于GIS的煤矿生产技术管理信息系统的研究与应用”、“干旱半干旱区煤矸石山丛技菌生态重建理论与应用研究”等获得中国测绘科技进步一等奖、中国地理信息科技进步一等奖、中国煤炭工业科技进步一等奖及山东省科技进步一等奖。相关单位建立了国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室、矿山信息技术国家测绘地理信息局重点实验室、感知矿山国家地方联合工程实验室、省级资源环境信息工程重点实验室、省级煤基CO2捕集与地址储存重点实验室、矿山生态修复教育部工程研究中心、省级3S与国土信息研究中心等省部级以上科研平台。建成了由地下采空区及破裂岩体探测、相似材料模型配套应力应变测试及装置、地表震动变形灾害监测等构成的“矿区沉陷变形灾害监测与测试系统”“基于多源信息集成的矿区环境及灾害雷达差分干涉测量监测与预警系统”“矿区环境及灾害监测与预警信息三维模拟仿真系统”等系统。 四、我国矿山测量的发展趋势及对策⒈ 矿山测量仪器的发展方向对经济效益相对较差的煤矿，防爆测距仪仍然是近阶段需要选择的主要仪器，如配备防爆型的电子手薄，同时也能够实现井下测量数据采集的自动化。因此应该生产精准度适中、质量稳定同时体积小的防爆型测距仪，用来满足现阶段一些小型煤矿对仪器的需求以及一些老式防爆测距仪的更新。矿山测量中测距仪和电子经纬仪都是过渡性仪器，而智能化全站仪是我国矿山测量仪器的开发重点。国外在仪器制造方面仍具有领先优势，要开发完全国产的全站仪首先应该进行防爆的改装，用来满足国内煤矿生产的需求。等到技术发展到一定程度之后，进一步生产完成国产的防爆全站仪以及矿山测量软件。此外，需要加速开发适用于在煤矿井下、便于瞄准的反射棱镜系统以及井下防爆无线电通讯系统等附属设备，来提高工作效率和测量精度。⒉ 现代矿山测量面临的新形势和新任务①煤矿安全生产呼唤矿山测量的回归，急需修订测量技术规程规范矿难屡屡发生固然与安全投入不足，历史欠帐太多，安全规章制度不健全、不落实，现场安全管理不力等有关，但也与煤矿基础性工作尤其是矿山测量这一环薄弱有关。它为矿山安全提供基础性材料：生产计划和开采决策提供井下采掘工程平面图、井上下平面对照图等，井下复杂的地质构造、瓦斯埋藏情况、老窑水、老空水和断层水等空间分布情况等。②坚持矿区可持续发展和绿色开采理念，建立矿区资源与环境信息系统（MREIS）绿色开采更需要矿山测量作为其技术支撑。主要表现在岩层移动和变形监测、地表变形和监测、井下采空区体积量测、充填材料运输路径优化设计等。为了绿色开采和矿产资源管理，将3S技术引入到绿色开采中，实施全国矿山基础测绘信息大调查工程，形成全国性和地区性的、以行政管理和绿色开采为目标的矿区资源与环境信息系统。将矿区土地资源和矿产资源信息整合起来管理，从国家层面上彻底解决矿区土地破坏和资源开采之间长期存在的体制性障碍和不断增多的矿界纠纷。③加强自主创新能力，创新理论与技术目前除了三下采煤技术方法、数字矿山理论与关键技术外，一般多为学习、跟踪国内外相关领域的先进理念与技术方法，缺少原创，一些重要技术如高光谱遥感与探地雷达技术应用、深井大型贯通测量技术与方法、巷道断面及围岩变形自动监测等均引进消化或集成应用。信息时代的矿山测量教育是一个薄弱环节。应大力开办高等职业教育的矿山测量专业，从矿区招收学生，定向培养。国家对培养这类人才的大专院校进行政策倾斜，充分调动其积极性，同时在招生录取和学费管理上制定特殊政策，以吸引学生，建立矿山测量师制度，矿山测量师需要经过严格培训和考试，要求具有丰富的采矿、地质、安全等方面的知识和经验，定期举办测绘新技术新仪器培训班，要求各类矿山的测绘人员定期进行系统职业培训，以保持矿山测绘科技进步与技术创新的活力。⒊ 矿山测量科学研究展望2013 年国际地球观测联盟（GEO）第三次部长级峰会及第十次全会期间，成立了由中国矿业大学牵头的GEO煤炭-环境工作组（GEO CEWG），并召开了首次国际交流会。未来，GEO CEWG将加强全球对地观测数据的矿区应用研究、监测分析与评估服务，为发展中国家尤其是第三世界国家的煤炭资源开发与环境影响评估提供技术支持；中国矿业大学矿山测量学科将引领我国相关高校、科研机构的矿山测量学科参与这一过程，面向中国乃至全球煤炭能源洁净开发利用和矿区生态环境保护做出积极贡献。近年来随着经济的快速发展，矿山为我国经济发展提供重要的资源支持，所以在矿山测量仪器方面要高度重视，加大投入力度研发与矿山法测量的质量与精度要求相适应得仪器，使未来仪器主要是向自动化、智能化、人性化方面发展，更加突出人机交流的能力。再者要加强测量技术水平的提升，实现矿山资源的可持续利用发展是当前重要任务。加强测量技术的技术含量，使其具有更先进性，同时还要加强测量人员自身综合素质水平的提升，促进矿山测量向着数字化、智能化、仿真化、自动化、可视化、科学化方向发展，推动我国矿山事业健康发展。我国的矿山测量工作必须与国际先进的测绘技术接轨，实现从矿山地理信息系统的采集、存储、处理、变换、交换、管理以及内业成图等全部自动化过程。为实现这一目标必须首先实现外业采集设备的电子化，因此必须研发地面、井下通用的防爆型电子仪器及其他相关仪器。如防爆型全站仪、自动化陀螺仪，新型的半导体激光指向系列产品、便于瞄准的反射棱镜系统，无线电通讯系统等。对于既有仪器，在提高其精度方面，还应当提高设备的可靠性、发展遥控设备。在矿山测量教育方面，应当引入最先进的科学技术的成果进行教学，培养出合乎时代要求的人才。提高教学起点，相应地也要提高师资队伍的水平。宜将当前的抽象理论与具体内容相结合，建立起一套实用性的理论。适当的以个别矿山为试点，将理论成果与实践结合起来，以便能够顺利推广。在最新的理论研究方面，具有很多可进一步探索研究的热点问题，如：⑴当前复杂地层体建模一直是研究的难点和热点，现有的模型中还只能处理一些不太复杂的情况，因而模型和算法都需要改进。当前断层、透镜体/ 侵入体、尖灭、褶皱等地质体的集成建模并作实例验证值得进一步研究。在地质体模型的基础上，进行三维可视化的研究，尤其是体绘制与光线跟踪算法融合技术的研究。⑵惯性导航元件用于矿下导航定位时，由于部分噪声与行走有用信号频段接近、难以区分，采用FIR设计滤波器消除噪声时，极易过滤部分有用信号，引起较大误差。如何对噪声特征进行更为细致的分析和分类，设计多通道滤波器分别消除不同频段特征噪声将有助于提高惯性导航的精度。⑶随着雷达干涉测量的进一步研究，动态、快速、准确监测大范围地面沉降过程成为热点，如何更为有效解决数据处理过程中的各种误差影响、提高点目标的数量和识别区域，拓展时序差分干涉技术的应用范围也是以后的发展趋势。⑷在三下采矿中需要解决的问题有，充填能力和生产能力不协调，开采与填充工艺互相制约，影响生产效率；充填成本高，经济效益低；开采仍会造成地表损坏；煤矿充填开采或部分充填开采覆岩与地表移动相关理论研究成果较少，理论有待完善和深化。■文章来源：《2014～2015测绘科学与技术学科发展报告》，中国科学技术出版社出版，科学普及出版社发行部发行，出版时间为2016年4月，本书首席科学家为宁津生院士。本文共同撰稿人汪云甲 张书毕 朱建军 吴立新 刘继宝 杨敏 张静 蒋晨，参考文献略。如其他平台转发本文，务请备注来自“溪流的海洋人生”微信公众平台，版权归中国科学技术协会和中国测绘地理信息学会所有。投稿邮箱：452218808@qq.com，请您在留言中标注为投稿，并提供个人简介及联系方式，谢谢！